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verfahren zur Herstellung von tiefdiffundierten halbleitenden Bauteilen
Die Erfindung betrifft allgemein die Diffusion von Verunreinigungen in Halbleiterkörpern
um deren Leitfähigkeit zu verändern, und insbesondere ein verbessertes Peststoff-Feststoff-Diffusionsverfahren,
bei dem die in den Halbleiterkdrper zu diffundierenden Verunreinigungen aus einer
Festßtoffdirfusionsquelle stammen.
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Dampf-Diffusionsverfar,ren zur gezielten, selektiven Einbringung von
Verunreinigungen inhalbleitende Substrate kennt man in der fjalbleitertechnologie
seit einigen Jahren. Bei diesen Verfahren bringt man anfänglich eine die Verunreinigungen
enthaltende Verbindung in ihrer Dampfphase zur Berührung mit einem ausgewählten
Oberflächenbereich des Halbleiters. Dies erfolgt in einem ersten, "Vorabscheidungs"-Difusionsschritt
bei niedriger Ten,penatur. Bei einem zweiten Difusionsschritt, dem "Lindringen",
wird der fialbleiter erhitzt und auf eine erhöhte Temperatur gebracht. bei diesem
Schritt dringen dann die Oberflächenverunreinigungen in den Halbleiter ein. Ihre
Eindringtiefe hängt von der Diffusionszeit und der eingestellten Temperatur ab.
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Eine Diffusion aus der Dampfphase dieser Art weist folgenden Nachteil
auf. Für den ersten Diffusionsschritt, die Vorabscheidung ist eine erste Gruppe
von Verfahrensbedingungen notwendig. Für den zweiten Verfahrensschritt, das Eindringen
ist eine andere Gruppe von Verfahrensbedingungen notwendig. Die beiden Verfahrensschritte
sind zeitaufwendig und Jeder kann unterschiedliche chemische Reaktionen erforderlich
machen.
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In Jüngerer Zeit hat man Diffusionsverfahren kommerziell erfolgreich
eingesetzt, bei aenen diese mehrfachen chemischen Reaktionen eines Dampfphasenverfahrens
nicht notwendig sind. bei diesen Diffusionsverfahren verwendet man eine Feststoffdifusionsquelle,
die direkt über dem freien, der Diffusbn ausgesetzten Oberflachenbereich des Halbleiters,
in den diffundiert werden soll, angebracht wird. Das Gebilde aus dem halbleitersubstrat,
der Feststoffdiffusionsquelle und einer bestimmten Diffusionsmaske wird auf eine
geeignete erilonte Temperatur gebracht, um die Verunreinigungen von der Feststoffdifusionsquelle
in das Halbleitersubstrat eindringen zu lassen. Z.b. gibt es hier die sogenannten
"Aufschleuder" ("spin-on")- oder "Aufmal" (paint-on")-Lacke oder -gläser bzw. glasartige
Substanzen, die heute im Handel erhältlich sind, und die in der Form von FlüssiSverbindungen
mit homogenen Verun--reinigungen vertrieben werden. Diese Verbindungen können sehr
einfach als Festkörperdiffusionsquelle direkt auf einem bestimmten Oberflächenbereich
des halbleitersubstrats angebracht werden, inaem man eine Augenpipette, einen Pinsel
oder einen anderen Gegenstand zur Abgabe einer Flüssigkeit verwendet.
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Es ist heute außerdem üblich, die Halbleitersubstrate auf einer geeigneten
rotierenden Unterlage, z.B. einer
zylindrischen Scheibe, anzubringen,
die während des Aufbringens der Dotierflüssigkeit, des Schleuderlacks oder -glases
("spin-cn dopant glass liquid"), zu drehen. Durch die Zentrifugalkraft wird die
Flüssigkeit rasch und gleichmäßig verschleudert und wie eine dünne haut über das
Substrat zur Vorbereitung für den folgenden Diffusionsschritt, das Eindringen, verteilt.
Bei dieser Flüssigkeit handelt es sich üblicherweise um eine gleichförmige homogene
Doteerlösung mit niedriger Konzentration. Sie verfestigt sich, nachdem sie als dünner
Film über einen bestimmten Oberflächenbereich des Substrats und über eine Diffusionsmaske,
die direkt auf das Substrat aufgebracht ist, verteilt ist. Damit wird der seitliche
Ausdehnungsbereich der Diffusion im Substrat begrenzt. Z.B. wird bei der nerstellung
der bekannten "vergrabenen ollektor"(buried collector)-Struktur eine N-dotierte
Schleuderlackverbindung ("spin-on" glass composition) auf die maskierte Oberfläche
einer N-dotierten Halbleiterscheibe aufgebracht. Dadurch entsteht in der Scheibe
ein vergrabener N + -t3ereich (N buriea region). Schleuderdotierverbindungen ("spin-on"
doping compositions) dieser Art sind aus der U.S. Patentschrift Hr. 3 658 584 bekannt,
auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Diese Diffusionsverfahren mit "Aufschleuder"- oder "Aufmal"-Lacken
oder -Glas haben sich im allgemeinen bei der Herstellung von flachen PN-Übergängen
oder bei der Herstellung von Diffusionszonen mit verhältnismäßig geringer Verunreinigungskonzentration
als zufriedenstellend erwiesen. Diese Verfahren reichen Jedoch nicht aus bei der
herstellung von Halbleiterbauteilen mit tiefdiffundierten PN-Übergängen oder auch
bei der Herstellung von Diffusionsbereichen mit hoher Dotierungskonzentration. Z.B.
ist das bekannte Verfahren vollständig ausreichend bei der Herstellung einer 3 bis
5 µ tiefen vergrabenen (buried) Kollektor-Diffusion bei einer integrierten Schaltung.
Das Verfahren ist Jedoch bei der Herstellung einer 75 bis 100>i Tiefdiffusion
für die Bildung des PN-übergangs eines Leistungsgleichrichters vollkommen unbrauchbar.
Auch hat man gefunden, daß diese Schleuderlack- oder Schleuderglasverfahren ("spin-onlglass
processes) nur geeignet sind, eine verhältnismäßig hohe Verunreinigungskonzentration
bei Halbleiterbauteilen mit flachen Übergangszonen zu liefern.
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Diese glas- oder lackförmigen Diffusionsquellen verlieren jedoch vorzeitig
und vollständig ihre Verunreinigungen, wenn sie über längere Zeit Temperaturzyklen
ausgesetzt sind, die für eine Tiefdiffusion oder eine Diffusion mit hoher Konzentration
notwendig sind.
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Die Erfindung schafft daher allgemein ein neues und verbessertes Festkörper-Festkörper-Difusionsverfahren,
das alle Vorteile ähnlicher bekannter Verfahren aufweist, während deren flachteile
vermieden werden. Las Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst ein undotierter, chemisch inaktiver unc aurchlässiger Glas- oder Lackfilm
(damit sollen auch immer alle glasartigen Substanzen umfaßt sein) auf der Oberfläche
eines Halbleitersubstrats aufgebracht wird. Hierauf wird als Vorbereitung für den
indring-Difusionsschritt eine Dotierquelle, z.B. ein Blatt eines handelsüblichen
Dotierpapiers, auf der Oberfläche des undotierten Films angeracnt. Die so entstandene
Schichtstruktur wird dann auf eine bestimmte erhöhte Temperatur erhitzt, um die
Verunreinigungen aus der Dotierquelle durch den inaktiven und durchlässigen Film
wandern zu lassen und von dort gleichmäßig in das Halbleitersubstrat eindringen
zu lassen. Dieses Diffusionsverfahren kann verwendet werden, um entweder einen bereich
mit hoher Verunreinigungskonzentration oder um einen tiefdiffundieren bereich, oder
beides zu schaffen. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist besonders geeignet für
die Herstellung von Halbleiterbauteilen mit tiefdiffundierten PN-Übergängen, wie
z.B. Leistungsgleichrichtern.
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Durch das Festkörper-Festkörper-Diffusionsverfahren gemäß der Erfindung
kennen die Verunreinigungen rasch und gleichen mäßig von einer Festkörperdiffusionsquelle
hoher Konzentration in einen Halbleiter diffundiert werden wodurch tiefe und gleichmäßig
dotierte Diffusionsbereiche geschaffen werden können.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine im wesentlichen
unbegrenzte Dotierungsquelle für eine schnelle Herstellung von Bereichen mit sehr
hoher Verunreinigungskonzentration in Halbleitersubstraten verwendet.
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Bei dem Festkörper-Festkörper-Diffusionsverfahren gemäß der Erfindung
ist eine direkte Berührung der Dotierungsquelle mit der Oberfläche des Halbleiters,
bei der die Verunreinigungen übertragen werden, nicht notwendig. Eine Verschlechterung
der Halbleiteroberfläche durch Korrosion wird dadurch vermieden.
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Die Erfindung schafft also ein Verfahren zum Eindiffundieren von Verunreinigungen
in einen Halbleiter, dadurch gekennzeichnet; daß zunächst auf einem bestimmten Oberflächenbereich
eines Halbleitersubstrats ein chemisch inaktiver, durchlässiger undotierter Film
aufgebracht wird,
und daß dann auf der Oberfläche des inaktiven
Films ein material, das als Dotierungsquelle dient, lose aufgebracht wird. Die sandwichartige
Struktur aus Substrat, inaktivem Film und Dotierungsquelle wird dann auf eine bestimmte
höhere Diffusionstemperatur erhitzt. Die Verunreinigungen von der Dotierungsquelle
diffundieren durch den inaktiven Film und werden durch ihn gleichmäßig im Halbleitersubstrat
verteilt und verändern dessen Leitfähigkeit. Da es sich bei der Dotierungsquelle
um eine im wesentlichen unbegrenzte Quelle handelt, ist mit dem Verfahren unter
anderem entweder eine Tiefdiffusion oder eine Diffusion mit einer hohen und gleichmäßigen
Konzentration von Verunreinigungen oder beides durchzuführen. Der chemisch inaktive,
durchlässige Film zwischen der Diffusionsquelle und dem Substrat ermöglicht ein
gleichmäßiges Wandern von Verunreinigungen durch den Film und in das Halbleitersubstrat.
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Gleichzeitig verhindert der Film eine Verletzung der Oberfläche des
Substrats, da durch ihn eine direkte Berührung der Substratoberfläche mit der Dotierungsquelle
verhindert wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird.
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Fig. la - le zeigen eine Darstellung von aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten
eines Festkörper-Festkörper Diffusionsverfahrens gemäß einer ersten Ausführunzsform
der Erfindung.
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Fig. 2a - 2d zeigen eine Darstellung von aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten
zur Herstellung eines Planar-PN-Übergangs gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung.
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Fig. 3a - 3d zeigen eine Darstellung von aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten
bei dem Aufeinanderschichten von Halbleiterscheiben, um gleichzeitig in der gleichen
Scheibe zwei Diffusionen durchzuführen, gemäß einer aritten Ausführungsform der
Erfindung.
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Fig. la zeigt einen Schnitt durch einen zylindrischen Drehteller 10,
der drehbar auf einer Achse 12 angeordnet ist. Auf der Oberfläche 13 des Drehtellers
10 befindet sich eine Halbleiterscheibe 14, die gemäß der Erfindung behandelt wird.
Zur Vereinfachung der Erläuterung ist hier nur eine einzige Scheibe gezeigt. Es
können jedoch mehrere Scheiben gleichzeitig behandelt erden. Es ist vorteilhaft,
wenn im Drehteller 10 irgendeine Vakuumeinrichtung vorgesehen ist, um die Halbleierscheibe
14 bei
einem kurzen Drehen in ihrer Stellung zu halten. Durch das
Drehen wird die leichtflüssige undotierte Glas- ouer Lackverbindung 16 auf aer oberen
Fläcne der Halbleiter scheibe rascn verteilt. Es bildet sich darauf ein dünner,
gleichmäßiger, chemisch inaktiver Film 16. Lur Vakuwneinrichtung kann z.b. ein Schlauch
(nicht gezeigt) gehören, der im Innern der Achse 12 angebracnt ist und in den brenteller
10 hineinragt. Er ist mit einer oder mehreren Gffnungen (nicht gezeigt) in der Oberfläche
13 ues Drehtellers 10 verbunden.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der erfindung besteht
die flüssige Lösung, aus der der undotierte Siliziumdioxid(SiO2)-film 18 gebildet
wird, aus einer homogenen flüchtigen Verbindung. Die Verdichtung und das Verdampfen
der Verbindung beginnt, sobald sie auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe 14 aufgebracht
ist. Dieses Verdichten oder diese Konzentration kann durch Erhitzen der Scheibe
(Fig. lb) beschleunigt werden, wodurch die Oxidation des inaktiven Lackfilms lo
beschleunigt wird.
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Im nächsten Verfahrensschritt wird eine Schicht eines flächenhaften
Dotiermaterials 20 lose auf der Oberfläche des SiO2-Films 18 aufgebracht. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung handelt es sicn beij:ier
Schicht des Dotiermaterials 20 um ein organisches zindemittel, das eine organische
Lösung mit der gewünschten Verunreinigung vom P- oder N-Typ enthält. Dieses flächenhafte
material 20 wird in der Halbleitertechnologie im allgemeinen als Dopant oder Dotierpapier
bezeichnet. as ist im Handel erhältlich und wird z. B. von der Firma Film tronics
Corporation in Butler, Pennsylvania unter der Bezeichnung "bor-Dotierpapier" oaer
"Phosphor-Dotierpapier" vertrieben. Diese allgemeine Art von Dotierpapier ist aus
der U.S. Patentschrift iQr. 3 630 793 bekannt.
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Selbstverständlich isoliert der chemisch inaktive durchlässige SiO2-Film
18 die Dotiermaterialschicht 20 nicht nur physikalisch vor Jeder Berührung der Halbleiterscheibe
18, wodurch eine Verletzung der Scheibenoberfläche durch Korrosion vermieden wird.
Die Verwendung dieses Films 18 bei dem Verfahren erlaubt auch ein "Auflegen" der
Dotiermaterialschicht 20 mit geringeren Toleranzen, als das bei anderen Verfahren
mit dotierten Filmen möglich ist. Diese anderen Verfahren benötigen häufig lange
Zeitzyklen um die dotierten Glas- oder Lackschichten in Form von dünnen Filmen aufzubringen,
wobei dann diese Schichten als Quelle für eine P- oder N-Dotierung dienen.
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Nachdem die Schicht 20 des Dotierpapiers lose auf der Oberfläche des
undotierten SiO2-Films 18 aufgebracht ist, wird die in Fig. lc gezeigte, zusammengesetzte
Struktur mit einer Anzahl anderer gleicher Strukturen entsprechend der Darstellung
in Fig. lc aufeinandergepackt. Das gesamte Gebilde wird in einen Diffusionsofen
gegeben und auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt. Die Temperatur ist so gewählt,
daß die Verunreinigungen der Dotierungsquelle 20 durch den Siliziumdioxidfilm 18
in die Halb leiters cheibe 14 diffundieren und dort einen diffundierten Bereich
21 bilden, wie dies in Fig. ld gezeigt ist. Während des Diffusionsvorgangs legt
sich das Dotierpapier 20 im allgemeinen an die Umrisse des inaktiven durchlässigen
Siliziumdioxidfilms 18 an und verschmilzt mit diesem. Die aus der Dotiermaterialschicht
20 austretenden Verunreinigungen legen alle vor dem Eindringen in die Halbleiterscheibe
14 den gleichen Weg durch den siliziumSilm zurück. Dadurch entsteht ein guter scharfer
(gerader) PN-Übergang 22. Iç;an hat beobachtet, daß bei einer unmittelbaren Berührung
der freien Oberfläche des Halbleitersubstrats 14 mit der Dotiermaterialschicht 20
und anschließender Erhitzung zum Zwecke der Diffusion von Verunreinigungen nicht
nur eine Korrosion der Oberfläche der Halbleiterscheibe eintritt.
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Zusätzlich zeigen auch die mit diesem Verfahren erzeugten
PN-Übergänge
keine scharfe Kante, da das Dotiermaterial keine einheitliche Oberflächenberührung
mit der Halbleiterscheibe hat. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es nicht
kritisch, Ja nicht einmal erforaerlich, daß das Dotiermaterial 20 gleichförmig über
dem Film 18 ausgebreitet wird. Alle aus dem Dotierpapier 20 kommenden Verunreinigungen
legen durch den Film 18 die gleiche Diffusionsstrecke zurück. Die Verunreinigungen
sättigen zunächst den Film 18, bevor sie gleichmässig in die Scheibe 14 eindringen.
So arbeitet der Film 18 wie ein Filter zur gleichmäßigen Verteilung der Verunreinigungen
in der Halbleiterscheibe 14. Es entsteht dabei eine gute scharfe Grenze zwischen
dem diffundierten Bereich und dem Substrat. Selbstverständlich ist zu beachten,
daß bei dem mit bezug auf Fig. 1 erläuterten Verfahren das Aufeinanderpacken der
Halbleiterscheiben nicht unbedingt notwendig ist. Trotzdem ist dieses Vorgehen bei
der praktischen Handhabung des Verfahrens vorzuziehen. Der Grund für dieses Vorgehen
ist, daß das handelsübliche Dotierpapier 20 durch die Temperatur im Diffusionsofen
beschädigt werden kann.
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Durch das Aufeinanderpacken der Scheiben (wie in Fig. 3 gezeigt) vor
Eingabe in den Ofen ist das Papier besser geschützt. Zusätzlich gehen durch ein
derartiges Aufeinanderpacken der Scheiben weniger Verunreinigungen verloren,
da
durch die übereinandergelagerten Schichten die Bewegung von Verunreinigungen zu
einer benachbarten Struktur begrenzt wird. Ist das Dotierpapier 20 entsprechend
hoch dotiert und ausreichend widerstandsfähig und haltbar bei den Temperaturen des
Diffusionsofens, ist ein Aufeinanderpacken der Halbleiterscheiben nicht unbedingt
notwendig.
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Das Verfahren ist auch durchführbar, wenn die in Fig. lc gezeigte
zusammengesetzte Struktur direkt in den Diffusionsofen eingegeben wird.
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Nach dem Ende des Diffusionsvorgangs, wenn die Verunreinigungen in
eine gewünschte Tiefe in das Substrat eingedrungen sind, z. B. bei Halbleiterbauteilen
mit einem tiefdiffundierten PN-Übergang 75 bis 100/'U, werden sowohl der Film 18
wie auch die Dotierungsquelle 20 mit einem Atzmittel entfernt. Als Atzmittel dient
z.B. Flußsäure HF.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Herstellung von
Bauteilen mit PN-Übergängen beschränkt. Kan kann damit auch P/P+- und N/N+-Strukturen
herstellen.
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Fig. 2 zeigt eine zweite Aus fünrungs form der Erfindung.
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Hier wird eine Halbleiterscheibe lq' zunächst einem üD-lichen photolithografischen
Verfahren mit Oxiaieren, Maskieren,
Atzen und erneutem Oxidieren
unterworfen, um eine Oxiddiffusionsmaske 15 zu erhalten. Diese Oxidmaske 15 weist
ein Fenster 17 auf, das im folgenden zur Festlegung der Geometrie des planaren PN-Ubergangs
auf der Halbleiterscheibe 14 dient. Handelt es sich um eine Scheibe aus Silizium,
besteht die Diffusionsmaske 15 aus Siliziumdioxid SiO2. Wie mit bezug auf Fig. la
erläutert, wird eine gleichmäßige, undotierte, inaktive Glas- oder Lacklösung in
Form von Tröpfchen 16' auf die zusammengesetzte Struktur (in Fig. 2a gezeigt) aufgebracht.
Durch ein kurzes Drehen der Achse 12 wird diese Lösung gleichmSßig auf der maske
15 und der freien Oberfläche der Ilalbleiterscheibe, die durch das Fenster 17 gegeben
ist, verteilt und bildet den dünnen Film 18'. Dieser leichtflüssige Film 18', ein
durchsichtiger undotierter Siliziumdioxidfilm, ist gleichmäßig verteilt. Darauf
wird er bei einer bestimmten erhöhten Temperatur an der Luft getrocknet. Nachdem
der Film 18' ausreichend getrocknet ist, wird eine Schicht von Dotiermaterial 20'
lose auf der Oberfläche der in Fig. 2a gezeigten Struktur aufgebracht.
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Da es sich bei diesem Material 20' um ein dünnes organisches Bindemittel
handelt, ist es biegsam und kann im allgemeinen der Kontur des Fensters 17 im Si02
und der Oberfläche des inaktiven Lackfilms 18' angepaßt werden.
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Die in Fig. 2b gezeigte zusammengesetzte Struktur wira dann mit weiteren
gleichen Strukturen (nicht gezeigt) aufeinandergepackt und in einen Diffusionsofen
gegeben.
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Sie wird auf eine bestimmte erhöhte Diffusionstemperatur erhitzt.
Während der Diffusionszeit diffundieren die Verunreinigungen von dem Dotierpapier
20' durch den Kieselerdefilm 18' und bilden den planaren PN-Übergang 24 in der Halbleiterscheibe
14', wie in Fig. 2c gezeigt ist.
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Nun kann diese Struktur mit den üblichen photolithografischen Iilaskier-
und Ätzverfahren weiter behandelt werden, um das Dotierpapier 20' und bestimmte
Bereiche der restlichen Oxidschicht 15 zu entfernen. Nan erhält die in Fig. 2d gezeigte
freie Oberfläche, auf der die ohmschen Kontakte 26 und 28 angebracht werden können.
Diese Kontakte können auf den freien Oberflächen der Halbleiterscheibe 14' durch
die bekannten I;etallkontaktierverfahren angebracht werden. Die in Fig. 2d gezeigte
Struktur ist z.B. als ein tiefdiffundierter PN-Gleichrichter mit einem zentralen
Punktkontakt 26 und einem äußeren Ringkontakt 28 zu verwenden.
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Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere
ein Verfahren gezeigt ist, bei dem die Halb leiters cheiben 30 aufeinandergepackt
werden.
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Die Scheiben 30 sind auf beiden Seiten mit einem undotierten Siliziumdioxidfilm
32 bzw. 34 beschichtet. Bei der Verwendung des neuen Verfahrens können mehrere der
in Fig. 3a gezeigten Scheiben aufeinandergepackt werden, wie in Fig. 3b gezeigt
ist. Sie werden gleichzeitig bei einem Aufheizzyklus für die Eindringdiffusion in
ihren gegenüberliegenden Oberflächen diffundiert.
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Die in Fig. 3a gezeigten einzelnen Scheiben 30 werden zunächst mit
einem Lackaufschleuderverfahren behandelt.
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Die Scheibe wird auf die Oberfläche des Drehtellers 13 gelegt und
der erste undotierte Siliziumdioxidfilm 32 wird aufgeschleudert. Dieser Film 32
wird dann an der Luft bei erhöhter Temperatur getrocknet. Nun wird die Scheibe 30
mit dem Film 32 nach unten auf den Drehteller 13 gelegt.
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Ein zweiter Siliziumdioxidfilm 34 wird dann auf der gegenüberliegenden
Seite der Scheibe aufgeschleudert. Dieser Film 34 wird nun ebenfalls bei einer bestimmten
erhöhten Temperatur getrocknet. Die Scheiben sind damit für den folgenden Stapelaufbau,
der in Fig. 3b gezeigt ist, vorbereitet.
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Bei einem weiteren Verfahren können die Scheiben auch in einer senkrechten
Stellung auf beiden Flächen mit der undotierten Filmlösung besprüht werden, um die
dünne, durchsichtige
Glas- oder Lackschicht auf beiden Seiten
aufzubringen. Die Scheibe 30 wird dann in einen geeigneten Ofen gegeben und erhitzt,
um die beiden Siliziumdioxidschichten gleichzeitig zu trocknen.
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Nachdem eine Anzahl von Scheiben 30 nach einem der beiden erläuterten
Verfahren mit den Filmen 32 und 34 beschichtet sind, werden die Scheiben wie in
Fig. 3b gezeigt ist, aufeinandergestapelt. Wie gezeigt, werden zwischen die lackbeschichteten
Scheiben die Lagen 36, 38 und 40 des Dotiermaterials eingelegt. Dieser Verfahrensschritt
wird als "Münz-Stapeln" bezeichnet, da die beschichteten Scheiben in der gleichen
Weise, wie man es mit einer Anzahl von identischen münzen tun würde, gehandelt und
aufeinandergestapelt werden. Die Lagen 36, 38 und 40 des Dotiermaterials können
entweder die gleicne Verunreinigung enthalten, oder sie können auch untersciealiche
Verunreinigungen enthalten, die entweder den P- oder den li-'Eyp der Leitfähigkeit
erzeugen. Dies hängt von den jeweiligen Anforderungen an die Dotierung der behandelten
Scheiben ab.
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Z .b. kann es erwünscht sein, in einer Anzahl von N-dotierten Substraten
30 gleichzeitig eine Anzahl von N+-Bereicnen zu erzeugen. In diesem Fall sind alle
Scheiben von N-Typ-und die Lagen 36, 38 und 40 des Dotiermaterials
können
phosphordotiert sein. Es kann auch einmal erwünscht sein, auf den gegenüberliegenden
Seiten der gleichen Scheibe 30 eine N -Diffusion und eine P-Diffusion vorzunehmen.
In diesem Fall kann es sich bei dem Dotiermaterial 36 um ein phosphordotiertes N-Dotierpapier
und bei dem Dotiermaterial 38 um ein bordotiertes P-Dotierpapier handeln. In diesem
Fall ist der in Fig. 3c gezeigte Diffusionsbereich 42 ein P-Bereich und der Bereich
44 entsprechend der gewünschten Konzentration an Verunreinigungen ein N- oder N+-Bereich.
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Eine weitere Möglichkeit des erläuterten Verfahrens besteht darin,
eine Scheibe 30 aus einem halbleitenden Material einer bestimmten Leitfähigkeit
gleichzeitig von beiden Seiten mit einer Verunreinigung zu dotieren, die die entgegengesetzte
Leitfähigkeit der Scheibe hervorruft. Dadurch können durch eine Diffusion zwei gegenüberliegende
PN-Übergänge in der Scheibe 30 erzeugt werden. Man erhält damit ein NPN- oder PNP-Mehrfachübergangs-Halbleiterbauteil,
z.B.
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einen Transistor.
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Nachdem die Scheiben, wie in Fig. 3b gezeigt ist, mit den dazwischenliegenden
Dotierschichten 36, 38 und 40 aufeinandergestapelt sind, werden sie in einen geeigneten
Diffusionsofen gegeben. Sie werden gleichzeitig auf eine bestimmte
Diffusionstemperatur
aufgeheizt. Während der Diffusionszeit entstehen in den einzelnen Scheiben 30 eine
Anzahl von Diffusionsbereichen, z.B. die Bereiche 42 und 44, wie dies in Fig. 3c
gezeigt ist. Nach dem Erzeugen dieser Bereiche können die Scheiben 30 durch die
Verwendung eines selektiven Ätzmittels, z.B. HF, getrennt werden. Die in Fig. 3d
gezeigten diffundierten Scheiben 44 können nun mit den bekannten Verfahren zur Herstellung
von Halbleiterbauteilen weiterbehandeltwerden, um die verschedensten elektronischen
Bauteile zu erzeugen.
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Beispiel Eine Anzahl von Siliziumscheiben des N-Typs mit einem spezifischen
Widerstand von 25 Ohm cm und einer Stärke von 216 F wurde auf beiden Seiten mit
einem undotierten SiO2-Film beschichtet und bei einer Temperatur von 3000C in Luft
getrocknet. Diese Scheiben wurden dann in einem "ünzen-Stapel" aufeinandergepackt,
wie in Fig. 3 gezeigt.
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Die dazwischenliegenden Schichten 36, 38 und 40 waren abwechselnd
ein Bordotierpapier und ein Phosphordotierpapier.
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Diese Papiere werden von der bereits erwähnten Filmtronics Corporation
unter dieser allgemeinen Bezeichnung vertrieben. Die aufeinandergestapelten Scheiben
wurden dann in
einen Diffusionsofen gegeben und unter Stickstoffatmosphäre
auf ungefähr 12500C erhitzt. Der Scheibenstapel blieb bei dieser Temperatur ca.
16 1/2 Stunden im Diffusionsofen. Die Abkühlung erfolgt dann bei Raumtemperatur.
Bei der Anwendung des bekannten Winkelläp- und Färbungs- bzw. Ätzerverfahrens (angle
lap and stain metilod) zur Pressung der Tiefe von PN-Übergängen, erkannte man auf
der einen Seite der Scheibe eine sehr gleichmäßige P-Schicht mit einer Tiefe von
ca. 57, 15 ji, und auf der anderen Seite eine sehr gleichmäßige N-Schicht mit einer
Tiefe von ca. 50,8 p. Bei der Anwendung einer Widerstandsmessung an vier verschiedenen
Punkten zur iiiessung des Flächenwiderstandes, ergab sich ein Flächenwiderstand
der P-Schicht von ca. 0,25 Ohm pro Quadrat und ein Flächenwiderstand der N-Schicht
von ca. 0,50 Ohm pro Quadrat. Unter dem Mikroskop erkannte man, daß die N + N-Grenze
und der PN-Übergang in der Scheibe eine sehr scharfe Grenzlinie zeigten, wie sie
bisher bei der Aufbringung des Dotierpapiers unmittelbar auf der Oberfläche des
halbleiters noch nicht erreichbar war. IIlfolge des dazwischenliegenden SiO2-Films
beobachtete man auch keinen Korrosionsangriff durch das Dotierpapier auf der Oberfläche
der Scheibe.
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- Patentansprüche-